Bab 4 Perhitungan Hidrolika dan Hidrodinamika

BAB IV

PERHITUNGAN HIDROLIKA DAN HIDRODINAMIKA 4.1. Dasar-dasar hidrolika

PERSAMAAN KONTINUITAS

Persamaan kontinuitas adalah salah satu persamaan dasar dari mekanika fluida; ini menunjukkan prinsip kekekalan massa. Pertimbangkan sebuah elemen dari suatu jalur pipa (lihat gambar di bawah ini) yang dapat dikatakan bahwa massa per detik yang memasuki pipa harus sama dengan massa per detik yang keluar dari pipa dengan asumsi tidak ada rugi-rugi sepanjang dinding tabung.

Gambar 2.2: Persamaan kontinuitas

Dapat dirumuskan: ρw x v1´ x A1= ρw x v2´ x A2

Dimana vi adalah rata-rata aliran stationer di saluran masuk dan keluar, Ai adalah luas penampang melintang pada saluran masuk dan keluar (tegak lurus dengan garis tengah tabung) dan ri adalah kekentalan zat cair. Untuk kebanyakan aplikasi dalam pembahasan mikrohidro, dapat diasumsikan bahwa air tidak dipadatkan dan kekentalan pada persamaan di atas tetap konstan dari masukan sampai sampai keluaran; sehingga persamaan kontinuitasnya menjadi:

Persamaan 5: v1´ x A1= v2´ x A2 = Q = constant

dimana Q adalah kecepatan volumetrik dari aliran atau debit dengan satuan m3_/detik.

Kekekalan Energi: Persamaan Bernoulli

Energi tidak dapat dihasilkan ataupun dimusnahkan tetapi hanya diubah. Energi potensial air disimpan di kolam penampungan di atas bukit diubah menjadi energi kinetik (dan panas akibat gesekan dan turbulansi) apabila air dilepas melalui saluranmenuruni bukit.

Di bawah bukit, energi kinetiknya maksimum (air telah dipercepatsampai kecepatan maksimum) ketika energi potensialnya nol; total kandungan energi airadalah sama dengan yang berada di atas bukit, di bawah bukit dan pada semua titik diantaranya, apabila gesekan dari kehilangan energinya diabaikan.

Energi potensial + energi kinetik = konstan

Pertimbangkan aliran di dalam saluran tertutup, bentuk ketiga energi dalam aliran fluida harus ditentukan, yaitu energi yang berasal dari daya aksi atau tekanan, karena itu dinamakan energi tekanan. Sebagai contoh energi tekanan adalah kerja yang dilakukan pada air oleh gerakan piston yang memindahkan sejumlah air dengan jarak tertentu. Penerapan

dasar-dasar kekekalan energi ke dalam tiga bentuk energi ini (kinetik,tekanan

dan energi potensial) akan mengantar kita ke persamaan Bernoulli. Penerapan persamaan ini hanya untuk sistem dengan aliran stasioner

(steady flow), yaitu dimana kecepatan aliran Q tetap konstan sepanjang waktu. Rugi-rugi tinggi jatuh akibat gesekan pipa dan turbulansi dapat juga dimasukkan ke dalam persamaan.

Ketiga bentuk energi di dalam persamaan Bernoulli dapat diperlihatkan secara grafik dalam potongan memanjang dari sebuah sistem jalur pipa (tenaga air dan suplai air). Ini merupakan metode yang sangat sesuai untuk memeriksa tekanan yang terdapat pada tiap titik dalam sebuah jaringan pipa. Perhatikan bahwa datum (level referensi) dapat dipilih pada sembarang level karena energi bukan merupakan jumlah yang mutlak oleh karena itu dapat diukur pada datum yang dikehendaki.

Gambar 2.3.Energi dan garis tekanan untuk sebuah pipa dari reservoar

Jarak diantara datum ini dan garis tengah pipa menunjukkan energi potensial di setiap titik (lihat gambar di atas). Garis energi untuk air di dalam reservoar adalah permukaan air yang bebas (praktis kecepatannya adalah nol, tekanannya atmosperik yang biasanya diambil sebagai referensi tekanan). Dalam sebuah fluida ideal tanpa rugi-rugi, garis energi akan horizontal sepanjang pipa.

Bagaimanapun, akibat gesekan dan turbulansi garis energi turun secara perlahan (gesekan) atau sekaligus (turbulansi/rugi rugi lokal) dari mulai penampungan sampai keluaran pipa. Garis tekanan digambar pada setiap titik pada jalurpipa dalam suatu jarak velositi head v2/(2g) dibawah garis energi. Jarak antara garis tengah pipa dan garis tekanannya adalah kemudian ukuran untuk menskala untuk daya tekanan yang terkandung dalam air. Apabila pipa berdiri dipasang pada jalurpipa di berbagai titik, level air disetiap titik akan naik sampai ke garis tekanan.

Persamaan 6 g g V P Z V P Z 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1      

 + HL

Dimana

= pressure head

dengan :

p = tekanan (N/m2_{) dan} p= kekentalan fluida (kg/m3_),

z1 = elevasi or head potensial (m)

= head kinetic atau head velocity

Dengan,

v = velocity ( m/s)

g = percepatan gravitasi 9.81 m/s2

HL= rugi daya akibat gesekan dan formasi eddy (eddies expressed).

dengan satuan (m) fluid column

Perhatian: dalam setiap bentuk ini setiap istilah dari persamaan memiliki dimensi panjang, oleh karena itu dinamakan “head”.

P1

pg

ν2

Aliran Permukaan Bebas

Aliran dalam saluran alami seperti sungai dan di dalam saluran buatan adalah jenisaliran permukaan bebas. Daya penggerak aliran air dalam saluran terbuka dengan permukaan bebas (tekanan atmosfir) adalah gaya gravitasi; dengan kata lain air digerakan oleh kemiringan saluran dan tidak seperti di saluran tertutup yaitu dengan perbedaan tekanan head di antara dua bagian (lihat Bab 2 di atas).

Aliran seragam dan aliran tidak seragam

Bab diatas telah menunjukkan bahwa aliran fluida dalam keadaan mantap apabila kecepatan aliran tidak berubah-ubah terhadap waktu. karena itu, kecepatan dan kedalaman air tidak berubah terhadap waktu pada bagian tertentu.

Ketika melihat perbedaan bagian pada saluran kita mungkin menemukan bahwa kecepatan dan kedalaman air konstan terhadap jarak; aliran seperti ini dinamakan seragam dan level air paralel dengan dasar

saluran (lihat gambar di bawah). Tipe aliran ini biasanya terjadi pada

salauran pembawa (headrace) dengan potongan melintang dan kemiringan dasar saluran yang konstan.

Dalam kejadian yang lain aliran mungkin berubah berangsur-angsur

terhadap jarak, yaitu menjadi aliran tidak seragam, seperti belokan dari

aliran air yang tertahan di hulu

bendungan dari sebuah skema MHP atau permukaan air akan berubah secara cepat ketika terjadi perubahan ukuran saluran atau kemiringan saluran.

Gambar 2.4

Aliran mantap (Q = konstan) yang seragam di beberapa bagian dan berubah ditempat yang lain

Di dalam MHP, kita sebagian besar akan berurusan dengan aliran

seragam untuk aliran saluran terbuka. Kedalaman air pada aliran seragam dapat ditentukan dengan rumusan sederhana seperti rumusan Manning-Strickler.

4.2. Dasar hidrodinamika

Ilmu yang mempelajari tentang terjadinya, pergerakan dan distribusi air di bumi, baik di atas, pada maupun di bawah permukaan bumi, tentang sifat physik, kimia air serta reaksinya terhadap lingkungan dan

Secara umum dikatakan bahwa Hidrologi adalah ilmu yang menyangkut masalah Kuantitas dan Kualitas air di bumi.

Analisa Hidrologi

Sebelum memahami tentang analisa Hidrologi, kita pahami terlebih dahulu apa yang dimaksud dengan Hidrologi pemeliharaan dan Hidrologi Terapan. Hidrologi pemeliharaan adalah sesuatu yang menyangkut masalah pemasangan alat-alat ukur berikut penentuan jaringan stasiun pengamatannya, pengumpulan data hidrologi , pengolahan data mentah dan publikasi data.

Hidrologi terapan adalah ilmu yang langsung berhubungan dengan penggunaan hukum-hukum yang berlaku menurut ilmu-ilmu murni pada kejadian praktis dalam kehidupan.

Analisa hidrologi adalah suatu kegiatan analisa yang berhubungan dengan air yang bertujuan antara lain untuk perencanaan suatu bangunan air, misalnya perencanaan reservoir untuk mengendalikan banjir dan mengatasi kebutuhan air.

Beberapa step analisa hidrologi antara lain :

- Memperkirakan jumlah air permukaan yang tersedia

- Memperkirakan kehilangan air (akibat penguapan, rembesan dsbnya) - Memperkirakan kebutuhan air (domestik, pertanian, perindustrian) - Memperkirakan banjir rencana

- Memperkirakan kapasitas/ volume reservoir dan tinggi M.A (Muka Air) maksimum dalam reservoir.

- Setelah itu baru dilanjutkan dengan perencanaan bangunan air yaitu :

 Merencanakan bangunan pengendalian banjir

 Merencanakan bangunan drainase pada daerah perkotaan atau daerah aliran

 Merencanakan /menentukan bentuk, ukuran konstruksi dll. Latihan Soal :

1. Jelaskan dengan singkat difinisi Hidrologi?

2. Jelaskan dengan singkat tentang Hidrologi Terapan? Kunci Jawaban :

1. Hidrologi adalah ilmu yang menyangkut masalah Kuantitas dan Kualitas air di bumi.

2. Hidrologi terapan adalah ilmu yang langsung berhubungan dengan penggunaan hukum-hukum yang berlaku menurut ilmu-ilmu murni pada kejadian praktis dalam kehidupan

Siklus Hidrologi

Akibat panas yang bersumber dari matahari, maka terjadilah : Evaporasi dan Transpirasi. Evaporasi adalah penguapan pada permukaan air terbuka pada permukaan tanah. Transpirasi adalah penguapan dari permukaan tanaman.

Uap air hasil penguapan ini pada ketinggian tertentu akan menjadi awan, kemudian karena beberapa sebab awan akan berkondensasi menjadi

presipitasi (yang diendapkan/ yang jatuh), bisa dalam bentuk salju, hujan

es, hujan, embun.

Sedangkan air hujan yang jatuh kadang – kadang tertahan oleh tajuk (ujung – ujung daun), oleh daunnya sendiri atau oleh bangunan dsbnya disebut Intersepsi. Besarnya intersepsi pada tanaman tergantung dari jenis tanaman, tingkat pertumbuhan, tetapi biasanya berkisar 1 mm pada hujan – hujan pertama, kemudian sekitar 20% pada hujan – hujan berkutnya.

Air hujan yang mencapai tanah, sebagian menembus permukaan tanah

(berinfiltrasi), sebagian lagi menjadi aliran air di atas permukaan (over

land flow), kemudian terkumpul pada saluran yang disebut surface run off.

Dari hasil infiltrasi di atas sebagian mengalir menjadi aliran bawah permukaan (interflow/ sub surface flow/ through flow), sebagian lagi akan membasahi tanah.

Air yang menjadi bagian dari tanah dan berada dalam pori – pori tanah tersebut disebut air Soil. Apabila kapasitas kebasahan tanah (Soil Moisture) ini terlampaui, maka kelebihan airnya akan mengalir vertikal (berperkolasi) mencapai air tanah.

Aliran air tanah (ground water flow) akan terjadi sesuai dengan hukum-hukum fisika.

Air yang mengalir itu pada suatu situasi dan kondisi tertentu akan mencapai danau, sungai, laut, dan menjadi simpanan air yang disebabkan oleh kubangan/ cekungan yang biasa disebut depression storage, serta saluran dsbnya, mencari tempat yang lebih rendah.

Untuk itu secara garis besar pada sistem sirkulasi tersebut dapat dikategorikan menjadi 2 variabel, yaitu ada yang berperan sebagai variabel input dan ada yang berperan sebagai variabel output.

Lihat Gambar 1 berikut :

Gambar 3.1 Siklus Hidrologi

Karena kompleksnya sistem sirkulasi air serta luasnya ruang lingkup kehidupan, maka untuk melakukan analisa hidrologi diperlukan pula ilmu – ilmu pengetahuan lainnya, antara lain :

- Meteorologi, Meteorologi adalah ilmu yang mempelajari fenomena fisik dari atfosfir. Adapun yang termasuk dalam meteorologi yaitu: tekanan gas, kelembaban absolut, kelembaban relativ, kelembaban nisbi, kejenuhan titik pengembunan, titik beku dan temperatur.

- Klimatologi, yaitu ilmu yang membahas segala sesuatu yang

berhubungan dengan cuaca, termasuk interpretasi statistik, catatan – catatan cuaca jangka panjang untuk mendapatkan harga rata – rata, trend terhadap waktu, gambaran lokal dari cuaca dengan perhitungan – perhitungan radiasi matahari, derajat hari, angin, hujan, temperatur rata – rata bulanan, temperatur rata – rata harian, temperatur maksimum, temperatur minimum dan penguapan.

- Geografi, yaitu ilmu yang membahas tentang ciri – ciri fisik permukaan bumi.

- Agronomi, yaitu ilmu yang membahas tentang dunia tumbuh – tumbuhan, yang pengaruhnya besar terhadap distribusi air hasil prespiasi setelah mencapai tanah dan penguapannya.

- Geologi, yaitu ilmu yang mempelajari komposisi kerak bumi yang berperanan pada distribusi air permukaan, air bawah permukaan dan air tanah dalam.

- Hidrolika, yaitu ilmu (hukum) yang mempelajari tentang gerakan air beraturan dalam sistem sederhana.

- Satistik, yaitu ilmu yang mempelajari tentang teknik memproses data numerik menjadi informasi yang berguna dalam penelitian ilmiah, pengambilan keputusan dsbnya. Statistik diperlukan dalam menganalisa data – data hidrologi.

4.3. Prinsip-prinsip aliran air

Sifat fisik dasar cairan adalah kerapatan dan viskositas. Perbedaan dalam sifat-sifat ini dapat mempengaruhi kemampuan cairan untuk mengikis dan transportasi sedimen. Pergerakan pada material terjadi disebabkan oleh gravitasi, tapi yang lebih umum adalah karena hasil

dari aliran air, udara, es atau campuran padat (dense mixtures) sedimen dan air.

Interaksi material sedimen dengan media transportasi menghasilkan struktur sedimen, beberapa struktur sedimen berkaitan dengan pembentukan bentuk lapisan (bedform) dalam aliran sedangkan yang lain adalah erosi. Struktur sedimen ini terawetkan dalam batuan dan menyediakan rekaman proses yang terjadi pada waktu

pengendapannya. Jika proses fisik terjadinya struktur ini di dalam lingkungan modern dapat diketahui, dan jika batuan sedimen

diinterpretasikan berdasarkan kesamaan prosesnya, maka mungkin untuk mengetahui lingkungan pengendapannya.

Perubahan bentuk butir yang disebabkan oleh aliran fuilda terhadap bentuk dan ukuran butir ( grain ) :

sebelum dan sesudah

Dua sifat yang sangat mempengaruhi sifat alir serta cara setiap medium berinteraksi dengan partikel-partikel sedimen yang diangkutnya adalah densitas dan viskositas.

Densitas fluida (rf) menentukan besaran gaya, misalnya stress, yang akan bekerja di dalam fluida itu serta terhadap bidang batas fluida-sedimen yang terletak dibawahnya, terutama ketika fluida bergerak menuju bagian bawah lereng di bawah pengaruh gaya gravitasi. Densitas juga menentukan cara gelombang merambat melalui fluida serta mengontrol gaya apung (boyant force) yang bekerja terhadap partikel-partikel sedimen yang ada didalamnya serta menentukan densitas efektifnya (rs – rf), dimana rs adalah densitas partikel padat. Sebagai contoh, suatu butiran kuarsa dalam air memiliki densitas efektif 1,65 g/cm3, sedangkan densitasnya di udara adalah 2,65 g/cm3. Perbedaan densitas efektif sangat mempengaruhi

kemampuan suatu fluida untuk mengangkut partikel.

Viskositas (m) menyatakan kemampuan fluida untuk mengalir. Viskositas dinyatakan sebagai nisbah shear stress (t, shearing force/satuan luas) terhadap laju deformasi (du/dy) yang ditimbulkan oleh geseran itu :

Untuk dapat menghasilkan laju deformasi yang sama, fluida yang memiliki viskositas relatif tinggi akan memerlukan shear stress yang lebih besar dibanding fluida yang memiliki viskositas relatif rendah. Karena densitas dan viskositas sama-sama memegang peranan penting dalam menentukan tingkah laku fluida, maka keduanya sering dipersatukan melalui suatu aspek tunggal yang disebut viskositas kinematik (n) :

4.4. Pengaliran air dalam pipa Aliran Air Dalam Pipa

a. Aliran mantap dan aliran tidak mantap

Untuk aliran mantap, parameter aliran seperti kecepatan, tekanan dan kekentalan untuk setiap titik adalah independen terhadap waktu sedangkan yang tergantung oleh waktu adalah aliran tidak tetap.

Contoh untuk aliran mantap: aliran melalui pipa berdiameter konstan

atau diameter berubah-ubah pada tekanan konstan (misalnya; reservoir yang tinggi airnya tidak berubah, yaitu air yang keluar secara terus menerus terisi kembali).

Contoh untuk aliran tidak mantap: aliran melalui pipa pada tekanan

berubah-ubah akibat pergantian tinggi air yang dihubungkan dengan tangki atas.

b. Rugi-rugi head akibat gesekan

Pada aliran air sebenarnya, energi atau rugi-rugi head yang terjadi akibat resistansi dinding pipa, gangguan terhadap aliran ini akan mengakibatkan transformasi yang takterbalikan dari energi dalam aliran menjadi panas.

Kehilangan energi akibat gesekan berasal dari tegangan geser antara lapisan yang bersebelahan antara air yang meluncur satu sama lain pada kecepatan yang berbeda.. Lapisan air yang paling tipis melekat pada dinding pipa dengan pasti tidak bergerak sedangkan kecepatan setiap lapisan konsentrik meningkat untuk mencapai kecepatan maksimum di garis tengah pipa.

Apabila partikel fluida bergerak sepanjang lapisan-lapisan halus pada jalur yang telah ditentukan, alirannya disebut dengan laminar atau viscous dan tegangan geser antara lapisan-lapisan mendominasi. Pada keadaan teknisnya, bagaimanapun, aliran di dalam pipa biasanya turbulen, yaitu partikel bergerak pada jalur yang tidak teratur dan merubah kecepatan.

Gambar 2.4

Distribusi kecepatan dalam aliran pipa a) laminar and b) aliran turbulen

Untuk mengkarakteristikan tipe aliran di dalam sistem pemipaan tertentu, bilangan Reynolds (Re) digunakan (catatan Re adalah rasio antara gaya inersia dan gesekan akibat kecepatan fluida n):

Persamaan 7: Re =

dimana :

v = kecepatan aliran rata-rata (m/s) d = diameter dalam pipa (m)

ν = kecepatan kinematik dalam m2/detik

untuk air pada saat 10° C: n = 1.31 * 10-6 m2_/detik

ν xd

untuk air pada saat 20° C: n = 1.0 * 10-6 m2/detik

Apabila Re < 2000, maka disebut aliran laminar dan Re = 2500 sampai 4000, disebut aliran turbulen, batasan di antaranya dinamakan zona kritis tak terdefinisi dimana kedua bentuk aliran tersebut ada dengan bilangan Reynold yang sama.

Contoh aliran laminar adalah aliran bawah tanah yang melalui acquifer; dalam teknologi MHP air yang mengalir melalui saluran dan pipa hampir selalu turbulen.

Untuk perhitungan Rugi gesekan untuk aliran turbulen, rumus berikut (Darcy- Weisbach) diterapkan :

Persamaan 8 : H friction

(rugi-rugi head akibat gesekan dalam meter fluid column) Dimana :

-  = faktor gesekan menurut diagram Moody (lihat dibawah)

- L = panjang penampang pipa dengan diameter konstan dalam meter - d = diameter pipa dalam meter

- v = kecepatan rata-rata dalam m/s

Percobaan telah dilakukan untuk menentukan l, faktor gesekan, untuk pipa komersial; hal ini telah membawa menuju sebuah rumus empirik dan cukup komplek yang kemudian disebut Colebrook and White. Moody (Amerika Serikat) merupakan orang pertama yang menciptakan diagram untuk keperluan praktek dimana angka l (dihitung dengan rumusan Colebrook) digambarkan sebagai sebuah fungsi bilangan Reynold (lihat literatur yang relevan).

Terlepas dari bilangan Reynold, faktor gesekan juga tergantung pada kekasaran absolute dari pipa; nilainya untuk material pipa dan kondisi yang berbeda-beda biasanya disediakan oleh pabrik dan dapat ditemukan dalam literatur yang relevan.

Perhatikan bahwa apabila pabrik pipa komersial menyediakan tabel dan diagramdiagram untuk menentukan kerugian head akibat gesekan, informasi seperti ini biasanya agak menyimpang dimana sejauh mungkin mereka menyediakan nilai terbaik untukkoefisen kekasaran. Misalnya, untuk yang baru, pipa buatan pabrik digunakan, dalam kenyataannya, pipa tidak tetap halus ketika dalam operasional. Pipa logam rentan akan korosi sedangkan pipa plastik (PE, PVC) akan tertutup lumpur setelah beberapa tahun beroperasi. Pada kenyataannya, semua tipe pipa akan memiliki nilai kekasaran yang lebih tinggi setelah beberapa tahun beroperasi. Kerusakan ini harus diperhatikan ketika memilih pipa saluran pembawa atau pipa pesat dan oleh karena itu dianjurkan untuk menggunakan rumusan Darcy-Weisbach yang digabungkan dengan diagram Moody dibandingkan menggunakan tabel dan diagram-diagram dari pabrik.

4.5. Pengaliran air dalam permukaan bebas

Aliran dalam saluran alami seperti sungai dan di dalam saluran buatan adalah jenisaliran permukaan bebas. Daya penggerak aliran air dalam saluran terbuka dengan permukaan bebas (tekanan atmosfir) adalah gaya gravitasi; dengan kata lain air digerakan oleh kemiringan saluran dan tidak seperti di saluran tertutup yaitu dengan perbedaan tekanan head di antara dua bagian.

Aliran seragam dan aliran tidak seragam

Bab diatas telah menunjukkan bahwa aliran fluida dalam keadaan mantap apabila kecepatan aliran tidak berubah-ubah terhadap waktu.

karena itu, kecepatan dan kedalaman air tidak berubah terhadap waktu pada bagian tertentu.

Ketika melihat perbedaan bagian pada saluran kita mungkin menemukan bahwa kecepatan dan kedalaman air konstan terhadap jarak; aliran seperti ini dinamakan seragam dan level air paralel dengan dasar

saluran (lihat gambar di bawah). Tipe aliran ini biasanya terjadi pada

salauran pembawa (headrace) dengan potongan melintang dan kemiringan dasar saluran yang konstan.

Dalam kejadian yang lain aliran mungkin berubah berangsur-angsur

terhadap jarak, yaitu menjadi aliran tidak seragam, seperti belokan dari

aliran air yang tertahan di hulu

bendungan dari sebuah skema MHP atau permukaan air akan berubah secara cepat ketika terjadi perubahan ukuran saluran atau kemiringan saluran.

Gambar 2.4

Aliran mantap (Q = konstan) yang seragam di beberapa bagian dan berubah ditempat yang lain

Di dalam MHP, kita sebagian besar akan berurusan dengan aliran seragam untuk aliran saluran terbuka. Kedalaman air pada aliran seragam dapat ditentukan dengan rumusan sederhana seperti rumusan Manning-Strickler.

Rumus-rumus yang digunakan adalah 1. v1´ x A1= v2´ x A2 = Q

2. g g V P Z V P Z 2 2 2 2 2 2 2 1 1

1 _    _  + HL

3. Re =

4.6. Energi

Energi air terjun

Potensi tenaga air dan pemanfaatanya pada umumnya sangat berbeda bila dibandingkan dengan penggunaan tenaga lain. Sumber tenaga air secara teratur dibangkitkan kembali karena adanya pemanasan sinar matahari. Sehingga sumber tenaga air merupakan sumber yang dapat diperbaharui.potensi secara keseluruhan tenaga air relatif kecil bila dibandingkan dengan jumlah sumber bahan bakar fosil. Penggunaan tenaga air merupakan pemanfaatan multiguna, karena dikaitkan dengan irigasi, pengendalian banjir, perikanan darat, dan pariwisata.

Pembangkit listrik tenaga air dilakukan tanpa ada perubahan suhu, karena tidak ada proses pembakaran bahan bakar. Sehingga mesin hidro yang dipakai bisa lebih tahan lama dibanding dengan mesin bahan bakar

Pada dasarnya ada tiga faktor utama dalam penentuan pemakaian suatu potensi sumber tenaga air untuk pembangkit tenaga listrik, yaitu; a. Debit andalan

b. H efektif

ν xd

Perlu kita ketahui bahwa potensi energi air terjun adalah memanfaatkan energi karena ketinggian atau potensial yang selanjutnya dikonversi menjadi energi kinetik untuk menggerakan sirip dan memutar turbin selanjutnya menjadi energi listrik. Sehingga dengan persamaan energi potensial, kita bisa mencari besarnya energi yang dikandung pada air terjun adalah sebagai berikut;

E = m.g.h dengan ;

E = energi potensial M = masa

g = percepatan gravitasi

h = tinggi relatif pada permukaan bumi

Bila persamaan diatas kita diferensialkan akan menjadi; dE = dm.g.h

dE merupakan energi yang dibangkitkan oleh elemen massa dm yang melalui jarak h.

Bila Q di definisikan sebagai debit air, menurut rumus;

Q = Dengan;

Q = debit air

dm = elemen masa air dt = elemen waktu

Kita ingat bahwa daya merupakan energi per satuan waktu, sehingga rumus daya dapat kita tuliskan sebagai berikut;

P = = .h.g P = Q .g.h

diantara data primer yang diperlukan untuk suatu survei dapat disebut: Ø Jumlah energi yang secara teoritis dapat diperoleh setahun, dalam

Ø Jumlah daya pusat listrik yang akan dipasang, dengan memperhatikan apakah pusat listrik itu akan dipakai untuk beban dasar atau beban puncak.

untuk air pada saat 20° C: n = 1.0 * 10-6 m2/detik

Apabila Re < 2000, maka disebut aliran laminar dan Re = 2500 sampai 4000, disebut aliran turbulen, batasan di antaranya dinamakan zona kritis tak terdefinisi dimana kedua bentuk aliran tersebut ada dengan bilangan Reynold yang sama.

Contoh aliran laminar adalah aliran bawah tanah yang melalui acquifer; dalam teknologi MHP air yang mengalir melalui saluran dan pipa hampir selalu turbulen.

Untuk perhitungan Rugi gesekan untuk aliran turbulen, rumus berikut

(Darcy- Weisbach) diterapkan :

Persamaan 8 : H friction

(rugi-rugi head akibat gesekan dalam meter fluid column) Dimana :

-  = faktor gesekan menurut diagram Moody (lihat dibawah)

- L = panjang penampang pipa dengan diameter konstan dalam meter - d = diameter pipa dalam meter

- v = kecepatan rata-rata dalam m/s

Percobaan telah dilakukan untuk menentukan l, faktor gesekan, untuk pipa komersial; hal ini telah membawa menuju sebuah rumus empirik dan

cukup komplek yang kemudian disebut Colebrook and White. Moody

(Amerika Serikat) merupakan orang pertama yang menciptakan diagram untuk keperluan praktek dimana angka l (dihitung dengan rumusan Colebrook) digambarkan sebagai sebuah fungsi bilangan Reynold (lihat literatur yang relevan).

Terlepas dari bilangan Reynold, faktor gesekan juga tergantung pada kekasaran absolute dari pipa; nilainya untuk material pipa dan kondisi yang berbeda-beda biasanya disediakan oleh pabrik dan dapat ditemukan dalam literatur yang relevan.

Perhatikan bahwa apabila pabrik pipa komersial menyediakan tabel dan diagramdiagram untuk menentukan kerugian head akibat gesekan, informasi seperti ini biasanya agak menyimpang dimana sejauh mungkin mereka menyediakan nilai terbaik untukkoefisen kekasaran. Misalnya, untuk yang baru, pipa buatan pabrik digunakan, dalam kenyataannya, pipa tidak tetap halus ketika dalam operasional. Pipa logam rentan akan korosi sedangkan pipa plastik (PE, PVC) akan tertutup lumpur setelah beberapa tahun beroperasi. Pada kenyataannya, semua tipe pipa akan memiliki nilai kekasaran yang lebih tinggi setelah beberapa tahun beroperasi. Kerusakan ini harus diperhatikan ketika memilih pipa saluran pembawa atau pipa pesat dan oleh karena itu dianjurkan untuk menggunakan rumusan Darcy-Weisbach yang digabungkan dengan diagram Moody dibandingkan menggunakan tabel dan diagram-diagram dari pabrik.

4.5. Pengaliran air dalam permukaan bebas

Aliran dalam saluran alami seperti sungai dan di dalam saluran buatan adalah jenisaliran permukaan bebas. Daya penggerak aliran air dalam saluran terbuka dengan permukaan bebas (tekanan atmosfir) adalah gaya gravitasi; dengan kata lain air digerakan oleh kemiringan saluran dan tidak seperti di saluran tertutup yaitu dengan perbedaan tekanan head di antara dua bagian.

Aliran seragam dan aliran tidak seragam

Bab diatas telah menunjukkan bahwa aliran fluida dalam keadaan mantap apabila kecepatan aliran tidak berubah-ubah terhadap waktu.

karena itu, kecepatan dan kedalaman air tidak berubah terhadap waktu pada bagian tertentu.

Ketika melihat perbedaan bagian pada saluran kita mungkin menemukan bahwa kecepatan dan kedalaman air konstan terhadap jarak; aliran

seperti ini dinamakan seragam dan level air paralel dengan dasar

saluran (lihat gambar di bawah). Tipe aliran ini biasanya terjadi pada salauran pembawa (headrace) dengan potongan melintang dan kemiringan dasar saluran yang konstan.

Dalam kejadian yang lain aliran mungkin berubah berangsur-angsur

terhadap jarak, yaitu menjadi aliran tidak seragam, seperti belokan dari aliran air yang tertahan di hulu

bendungan dari sebuah skema MHP atau permukaan air akan berubah secara cepat ketika terjadi perubahan ukuran saluran atau kemiringan saluran.

Gambar 2.4

Aliran mantap (Q = konstan) yang seragam di beberapa bagian dan berubah ditempat yang lain

Di dalam MHP, kita sebagian besar akan berurusan dengan aliran seragam untuk aliran saluran terbuka. Kedalaman air pada aliran seragam dapat ditentukan dengan rumusan sederhana seperti rumusan Manning-Strickler.

Rumus-rumus yang digunakan adalah

1. v1´ x A1= v2´ x A2 = Q

2. g g V P Z V P Z 2 2 2 2 2 2 2 1 1

1 _    _  + HL

3. Re =

4.6. Energi

Energi air terjun

Potensi tenaga air dan pemanfaatanya pada umumnya sangat berbeda bila dibandingkan dengan penggunaan tenaga lain. Sumber tenaga air secara teratur dibangkitkan kembali karena adanya pemanasan sinar matahari. Sehingga sumber tenaga air merupakan sumber yang dapat diperbaharui.potensi secara keseluruhan tenaga air relatif kecil bila dibandingkan dengan jumlah sumber bahan bakar fosil. Penggunaan tenaga air merupakan pemanfaatan multiguna, karena dikaitkan dengan irigasi, pengendalian banjir, perikanan darat, dan pariwisata.

Pembangkit listrik tenaga air dilakukan tanpa ada perubahan suhu, karena tidak ada proses pembakaran bahan bakar. Sehingga mesin hidro yang dipakai bisa lebih tahan lama dibanding dengan mesin bahan bakar

Pada dasarnya ada tiga faktor utama dalam penentuan pemakaian suatu potensi sumber tenaga air untuk pembangkit tenaga listrik, yaitu; a. Debit andalan

b. H efektif

ν xd V

Perlu kita ketahui bahwa potensi energi air terjun adalah memanfaatkan energi karena ketinggian atau potensial yang selanjutnya dikonversi menjadi energi kinetik untuk menggerakan sirip dan memutar turbin selanjutnya menjadi energi listrik. Sehingga dengan persamaan energi potensial, kita bisa mencari besarnya energi yang dikandung pada air terjun adalah sebagai berikut;

E = m.g.h dengan ;

E = energi potensial M = masa

g = percepatan gravitasi

h = tinggi relatif pada permukaan bumi

Bila persamaan diatas kita diferensialkan akan menjadi; dE = dm.g.h

dE merupakan energi yang dibangkitkan oleh elemen massa dm yang melalui jarak h.

Bila Q di definisikan sebagai debit air, menurut rumus;

Q = Dengan;

Q = debit air

dm = elemen masa air dt = elemen waktu

Kita ingat bahwa daya merupakan energi per satuan waktu, sehingga rumus daya dapat kita tuliskan sebagai berikut;

P = = .h.g P = Q .g.h

diantara data primer yang diperlukan untuk suatu survei dapat disebut: Ø Jumlah energi yang secara teoritis dapat diperoleh setahun, dalam

Ø Jumlah daya pusat listrik yang akan dipasang, dengan memperhatikan apakah pusat listrik itu akan dipakai untuk beban dasar atau beban puncak.